【CN109736897A】一种用于涡轮叶片的交叉型Y气膜孔冷却结构【专利】
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代理人 陈星
(51)Int .Cl . F01D 5/18(2006 .01)
(10)申请公布号 CN 109736897 A (43)申请公布日 2019.05.10
( 54 )发明 名称 一种用于涡轮叶片的交叉型Y气膜孔冷却结
构 ( 57 )摘要
本发明公开了一种用于涡轮叶片的交叉型Y 气膜孔冷却结构，是在气膜孔板上沿流向布置两 排Y气膜孔 ，且气膜孔采 用交叉型排布 ；Y气膜孔 通过将两个圆柱形气膜孔交叉相贯后延长其交 接面而成，两个圆柱形气膜孔的出口均沿展向有 一定的倾斜角度。交叉型Y气膜孔冷却结构使得 射流更加容易的分向两边 ，增加射流的展向覆 盖 ，并减小射流的 气动损失 ；通过前后两排Y气膜 孔的 相互 作 用 ，在气膜孔下游形成内卷对涡 ，使 得离开Y气膜孔的冷气紧紧贴覆在近壁面处 ，对 气膜孔下游壁面形成有效保护。Y气膜孔有一个 气膜孔入口 ，在通道中段分为两股冷气 ，使得Y气 膜孔两个出口的 出 气量更 加均 匀 ，Y 气膜孔具 有 结构简单，易于加工，且气膜覆盖效果好的特点。
( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910007232 .2
(22)申请日 2019 .01 .04
(71)申请人 西北工业大学 地址 710072 陕西省西安市友谊西路127号
(72)发明人 朱惠人 姚春意 张博伦 魏建生 付仲议
(74)专利代理机构 西来自百度文库工业大学专利中心 61204
3 .根据权利要求1所述的用于涡轮叶片的交叉型Y气膜孔冷却结构，其特征在于:所述 上游Y气膜孔与下游Y气膜孔的流向间距为P ，其范围为2Df～5Df ，上游Y气膜孔与下游Y气膜 孔的展向间距均为S，其范围为4Df～8Df。
2
CN 109736897 A
说 明 书
一种用于涡轮叶片的交叉型Y气膜孔冷却结构
1/4 页
技术领域 [0001] 本发明涉及燃气轮机涡轮叶片的冷却技术领域，具体地说，涉及一种用于涡轮叶 片的交叉型Y气膜孔冷却结构。
技术背景 [0002] 燃气轮机自问世以来，经过几十年的发展广泛应用于工业中。在工业应用中，设计 者们根据工程热力循环原理逐渐提高了涡轮前温度，这使得燃气轮机的性能得到了有效提 升。但是受限 于涡轮叶 片材料的耐热程度 ，涡轮前的温 度达到了一个瓶颈 ，因此 ，必须对涡 轮叶片进行有效的冷却才能保证燃气轮机安全高效地工作。气膜冷却作为一种外部冷却方 式被广泛应用于涡轮叶片的冷却设计中。气膜冷却的基本原理:在高温部件上开缝槽或者 小孔，沿一定方向向主流喷入冷气，在主流的压力和摩擦力作用下，射流弯曲覆盖于高温部 件表面，形成温度较低的冷气膜，将壁面同高温燃气隔离，并带走部分高温燃气或明亮火焰 对壁面的辐射热量，从而对壁面起到良好的保护作用。 [0003] 最初应用在涡轮叶片上的气膜冷却孔是圆柱孔，Eckert等人较早地对圆柱气膜孔 的冷却效果进行了实验研究 ，发现带有复合 角的圆柱孔具有良 好的 气膜冷却效果。随 着研 究工作的深入，国内外学者发现圆柱孔由于其结构局限性，冷气流的展向覆盖效果不好；而 且由于从圆柱孔射出的冷流法向动量较大，导致射流在近壁面处冷却效果较差。基于此，国 内外关于孔型的研究集中在异型孔上。Goldstein等学者研究发现扇形孔可降低冷气流的 法向动量，增大了冷气在涡轮叶片表面的覆盖面积，最终改善了气膜冷却效率。为了更进一 步提高气膜冷却效果，收缩扩张孔的冷却孔结构也被提出。值得注意的是，异型孔提供高冷 却效率的同时也增加了气动损失。
权利要求书1页 说明书4页 附图4页
CN 109736897 A
CN 109736897 A
权 利 要 求 书
1/1 页
1 .一种用于涡轮叶片的交叉型Y气膜孔冷却结构，包括气膜孔板、上游Y气膜孔、下游Y 气膜孔、圆柱气膜孔、压力面交叉型Y气膜孔、吸力面交叉型Y气膜孔、内冷通道，在涡轮叶片 压力面上设有压力面交叉型Y气膜孔 ，在涡轮叶 片吸 力面上设有吸 力面交叉型Y气膜孔 ，压 力面交叉型Y气膜孔和吸力面交叉型Y气膜孔的两端分别形成气流的出口 和入口 ，且与内冷 却通道相通 ，其特征在于:在气膜孔板上沿流向 布置两排Y气膜孔 ，且两排气膜孔采 用交叉 型排布，Y气膜孔是通过将两个圆柱形气膜孔交叉相贯后延长其交接面而成，两个圆柱形气 膜孔的出口均沿展向有一定的倾斜角度，上游Y气膜孔两个孔出口中心点的距离为W ,下游Y 气膜孔两个孔出口中心点的距离为V，其中W的值大于等于V的值；上游Y气膜孔与下游Y气膜 孔的流向间距为P；上游Y气膜孔的展向间距与下游Y气膜孔的展向间距均为S；上游Y气膜孔 和下游Y气膜孔的圆柱孔交叉中心点的展向距离为0 .5S；圆柱气膜孔的最小截面当量直径 Df，取值范围为0 .5～1 .5mm。
2 .根据权利要求1所述的用于涡轮叶片的交叉型Y气膜孔冷却结构，其特征在于:所述 上游Y气膜孔的两个圆柱气膜孔交叉角度为α，取值范围为45～95 °，上游Y气膜孔流向倾角θ 的取值范围为30～60 °，下游Y气膜孔的两个圆柱气膜孔交叉角度为β，取值范围为40～90 °， 下游Y气膜孔的流向倾角γ的取值范围为30～60 °。
发明内容 [0004] 为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种用于涡轮叶片的交叉型Y气膜孔 冷却结构；该结构可继续提高射流的展向覆盖，并减小射流的气动损失，使得离开气膜孔的 冷气紧紧贴覆在近壁面处，提升不同气膜孔出口的出气量均匀性，且易于加工制造。 [0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括气膜孔板、上游Y气膜孔、下游Y 气膜孔、圆柱气膜孔、压力面交叉型Y气膜孔、吸力面交叉型Y气膜孔、内冷通道，在涡轮叶片 压力面上设有压力面交叉型Y气膜孔 ，在涡轮叶 片吸 力面上设有吸 力面交叉型Y气膜孔 ，压 力面交叉型Y气膜孔和吸力面交叉型Y气膜孔的两端分别形成气流的出口 和入口 ，且与内冷 却通道相通，其特征在于在气膜孔板上沿流向布置两排Y气膜孔，且两排气膜孔采用交叉型 排布，Y气膜孔是通过将两个圆柱形气膜孔交叉相贯后延长其交接面而成，两个圆柱形气膜 孔的出口均沿展向有一定的倾斜角度，上游Y气膜孔两个孔出口中心点的距离为W ,下游Y气 膜孔两个孔出口中心点的距离为V，其中W的值大于等于V的值；上游Y气膜孔与下游Y气膜孔 的流向间距为P；上游Y气膜孔的展向间距与下游Y气膜孔的展向间距均为S；上游Y气膜孔和 下游Y气膜孔的圆柱孔交叉中心点的展向距离为0 .5S；圆柱气膜孔的最小截面当量直径Df，
(51)Int .Cl . F01D 5/18(2006 .01)
(10)申请公布号 CN 109736897 A (43)申请公布日 2019.05.10
( 54 )发明 名称 一种用于涡轮叶片的交叉型Y气膜孔冷却结
构 ( 57 )摘要
本发明公开了一种用于涡轮叶片的交叉型Y 气膜孔冷却结构，是在气膜孔板上沿流向布置两 排Y气膜孔 ，且气膜孔采 用交叉型排布 ；Y气膜孔 通过将两个圆柱形气膜孔交叉相贯后延长其交 接面而成，两个圆柱形气膜孔的出口均沿展向有 一定的倾斜角度。交叉型Y气膜孔冷却结构使得 射流更加容易的分向两边 ，增加射流的展向覆 盖 ，并减小射流的 气动损失 ；通过前后两排Y气膜 孔的 相互 作 用 ，在气膜孔下游形成内卷对涡 ，使 得离开Y气膜孔的冷气紧紧贴覆在近壁面处 ，对 气膜孔下游壁面形成有效保护。Y气膜孔有一个 气膜孔入口 ，在通道中段分为两股冷气 ，使得Y气 膜孔两个出口的 出 气量更 加均 匀 ，Y 气膜孔具 有 结构简单，易于加工，且气膜覆盖效果好的特点。
( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910007232 .2
(22)申请日 2019 .01 .04
(71)申请人 西北工业大学 地址 710072 陕西省西安市友谊西路127号
(72)发明人 朱惠人 姚春意 张博伦 魏建生 付仲议
(74)专利代理机构 西来自百度文库工业大学专利中心 61204
3 .根据权利要求1所述的用于涡轮叶片的交叉型Y气膜孔冷却结构，其特征在于:所述 上游Y气膜孔与下游Y气膜孔的流向间距为P ，其范围为2Df～5Df ，上游Y气膜孔与下游Y气膜 孔的展向间距均为S，其范围为4Df～8Df。
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CN 109736897 A
说 明 书
一种用于涡轮叶片的交叉型Y气膜孔冷却结构
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技术领域 [0001] 本发明涉及燃气轮机涡轮叶片的冷却技术领域，具体地说，涉及一种用于涡轮叶 片的交叉型Y气膜孔冷却结构。
技术背景 [0002] 燃气轮机自问世以来，经过几十年的发展广泛应用于工业中。在工业应用中，设计 者们根据工程热力循环原理逐渐提高了涡轮前温度，这使得燃气轮机的性能得到了有效提 升。但是受限 于涡轮叶 片材料的耐热程度 ，涡轮前的温 度达到了一个瓶颈 ，因此 ，必须对涡 轮叶片进行有效的冷却才能保证燃气轮机安全高效地工作。气膜冷却作为一种外部冷却方 式被广泛应用于涡轮叶片的冷却设计中。气膜冷却的基本原理:在高温部件上开缝槽或者 小孔，沿一定方向向主流喷入冷气，在主流的压力和摩擦力作用下，射流弯曲覆盖于高温部 件表面，形成温度较低的冷气膜，将壁面同高温燃气隔离，并带走部分高温燃气或明亮火焰 对壁面的辐射热量，从而对壁面起到良好的保护作用。 [0003] 最初应用在涡轮叶片上的气膜冷却孔是圆柱孔，Eckert等人较早地对圆柱气膜孔 的冷却效果进行了实验研究 ，发现带有复合 角的圆柱孔具有良 好的 气膜冷却效果。随 着研 究工作的深入，国内外学者发现圆柱孔由于其结构局限性，冷气流的展向覆盖效果不好；而 且由于从圆柱孔射出的冷流法向动量较大，导致射流在近壁面处冷却效果较差。基于此，国 内外关于孔型的研究集中在异型孔上。Goldstein等学者研究发现扇形孔可降低冷气流的 法向动量，增大了冷气在涡轮叶片表面的覆盖面积，最终改善了气膜冷却效率。为了更进一 步提高气膜冷却效果，收缩扩张孔的冷却孔结构也被提出。值得注意的是，异型孔提供高冷 却效率的同时也增加了气动损失。
权利要求书1页 说明书4页 附图4页
CN 109736897 A
CN 109736897 A
权 利 要 求 书
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1 .一种用于涡轮叶片的交叉型Y气膜孔冷却结构，包括气膜孔板、上游Y气膜孔、下游Y 气膜孔、圆柱气膜孔、压力面交叉型Y气膜孔、吸力面交叉型Y气膜孔、内冷通道，在涡轮叶片 压力面上设有压力面交叉型Y气膜孔 ，在涡轮叶 片吸 力面上设有吸 力面交叉型Y气膜孔 ，压 力面交叉型Y气膜孔和吸力面交叉型Y气膜孔的两端分别形成气流的出口 和入口 ，且与内冷 却通道相通 ，其特征在于:在气膜孔板上沿流向 布置两排Y气膜孔 ，且两排气膜孔采 用交叉 型排布，Y气膜孔是通过将两个圆柱形气膜孔交叉相贯后延长其交接面而成，两个圆柱形气 膜孔的出口均沿展向有一定的倾斜角度，上游Y气膜孔两个孔出口中心点的距离为W ,下游Y 气膜孔两个孔出口中心点的距离为V，其中W的值大于等于V的值；上游Y气膜孔与下游Y气膜 孔的流向间距为P；上游Y气膜孔的展向间距与下游Y气膜孔的展向间距均为S；上游Y气膜孔 和下游Y气膜孔的圆柱孔交叉中心点的展向距离为0 .5S；圆柱气膜孔的最小截面当量直径 Df，取值范围为0 .5～1 .5mm。
2 .根据权利要求1所述的用于涡轮叶片的交叉型Y气膜孔冷却结构，其特征在于:所述 上游Y气膜孔的两个圆柱气膜孔交叉角度为α，取值范围为45～95 °，上游Y气膜孔流向倾角θ 的取值范围为30～60 °，下游Y气膜孔的两个圆柱气膜孔交叉角度为β，取值范围为40～90 °， 下游Y气膜孔的流向倾角γ的取值范围为30～60 °。
发明内容 [0004] 为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种用于涡轮叶片的交叉型Y气膜孔 冷却结构；该结构可继续提高射流的展向覆盖，并减小射流的气动损失，使得离开气膜孔的 冷气紧紧贴覆在近壁面处，提升不同气膜孔出口的出气量均匀性，且易于加工制造。 [0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括气膜孔板、上游Y气膜孔、下游Y 气膜孔、圆柱气膜孔、压力面交叉型Y气膜孔、吸力面交叉型Y气膜孔、内冷通道，在涡轮叶片 压力面上设有压力面交叉型Y气膜孔 ，在涡轮叶 片吸 力面上设有吸 力面交叉型Y气膜孔 ，压 力面交叉型Y气膜孔和吸力面交叉型Y气膜孔的两端分别形成气流的出口 和入口 ，且与内冷 却通道相通，其特征在于在气膜孔板上沿流向布置两排Y气膜孔，且两排气膜孔采用交叉型 排布，Y气膜孔是通过将两个圆柱形气膜孔交叉相贯后延长其交接面而成，两个圆柱形气膜 孔的出口均沿展向有一定的倾斜角度，上游Y气膜孔两个孔出口中心点的距离为W ,下游Y气 膜孔两个孔出口中心点的距离为V，其中W的值大于等于V的值；上游Y气膜孔与下游Y气膜孔 的流向间距为P；上游Y气膜孔的展向间距与下游Y气膜孔的展向间距均为S；上游Y气膜孔和 下游Y气膜孔的圆柱孔交叉中心点的展向距离为0 .5S；圆柱气膜孔的最小截面当量直径Df，